[发明专利]一种无偏振选择的高效率超导纳米线单光子探测器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种无偏振选择的高效率超导纳米线单光子探测器及其制备方法，该超导纳米线单光子探测器包括：衬底；金属薄膜反射镜，结合于所述衬底表面；介质层，结合于所述金属薄膜反射镜表面；超导纳米线，结合于所述介质层表面；介质纳米线，结合于所述超导纳米线表面和所述介质层表面。本发明还提供了上述无偏振选择的高效率超导纳米线单光子探测器的制备方法。本发明的探测器采用介质纳米线优化超导纳米线内部的电磁场分布，以及使用制备工艺简单的介质层和金属薄膜反射镜，提高了器件对各个偏振方向的入射光的吸收效率，具有无入射光偏振吸收差异、整体吸收率高的优势，提高了器件的整体性能。

技术领域

本发明涉及一种超导纳米线单光子探测器及其制备方法，尤其是涉及一种无偏振选择的高效率超导纳米线单光子探测器及其制备方法，属于光信号探测技术领域。

背景技术

超导纳米线单光子探测器件(Superconducting Nanowire Single PhotonDetector,SNSPD)是一种重要的高灵敏度单光子探测器，相比传统的半导体探测器，SNSDP响应速度快，背景噪音低，时间抖动小，而且其探测波段覆盖了从可见光到红外光。

超导纳米线单光子探测器件的工作原理如下：将SNSPD置于低温环境中(4K)，使其处于超导态，同时对其施加一偏置电流Ib(Ib略小于器件转换到正常态的转换电流Iswitch)，当单个光子或多个光子入射到超导纳米线上并被吸收时，就会拆散形成超导状态的库伯电子对，形成大量的热电子，热电子扩散形成局域热点，在偏置电流Ib的作用下产生焦耳热，继而使得纳米线形成有阻区，此时在器件两端产生一个快速的电压脉冲信号(即光子信号)，最终实现单光子探测。SNSPD已经广泛地应用在量子通信、量子光学和生物单分子荧光光谱等重要领域。

目前，传统的SNSPD器件由蜿蜒曲线形状的周期性超导纳米线组成，在光学响应上接近光栅，其对入射光的吸收具有明显的偏振选择性，当入射光的偏振方向平行于超导纳米线时，入射光的吸收在超导纳米线内分布均匀，吸收率较高；当入射光的偏振方向垂直于超导纳米线时，入射光在超导纳米线两侧边缘吸收较少，而在超导纳米线中央吸收较多，整体的吸收率比平行偏振的入射光要小很多。依赖入射光偏振方向的选择性吸收，是超导纳米线单光子探测器的一个缺点，严重地限制了其探测器的性能与应用。中国专利文件CN104091883A公开了一种基于介质薄膜反射镜的超导纳米线单光子探测器，但是其中分布式布拉格反射镜结构工艺复杂，而且只对特定入射方向、特定波长区间的入射光有增强效应，同时超导纳米线的排列方式(超导纳米线典型厚度为5纳米，宽度100纳米，为曲折蜿蜒周期性结构)只会偏向于吸收偏振方向平行于超导纳米线的入射光，吸收效率比较低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种无偏振选择的高效率超导纳米线单光子探测器及其制备方法。本发明的探测器利用介质纳米线调制入射光的电磁场分布，以及使用制备工艺简单的介质层和金属薄膜反射镜，解决了现有的探测器对不同偏振方向入射光的吸收具有差异性的问题，同时使得器件对各个偏振方向的入射光的吸收效率都达到90％左右。

本发明的技术方案如下：

一种无偏振选择的高效率超导纳米线单光子探测器，该超导纳米线单光子探测器包括：

衬底；

金属薄膜反射镜，结合于所述衬底表面；

介质层，结合于所述金属薄膜反射镜表面；

超导纳米线，结合于所述介质层表面；

介质纳米线，结合于所述超导纳米线表面和所述介质层表面。

根据本发明，优选的，所述的衬底为硅衬底、砷化镓衬底、碳化硅衬底、氧化镁衬底、蓝宝石衬底中的至少一种；

优选的，所述的衬底的厚度为300～500微米。